مدار فلاشر LED

مقدمه:

مدارها و کیت های زیادی در بازار وجود دارند که می‌توانند هر تعداد LED یا چراغ را به صورت دوره ای، تصادفی یا متوالی چشمک بزنند، اما یک آی سی بسیار همه کاره که می‌تواند برای تولید یک مدار فلاشر LED ساده استفاده شود، شمارنده موج دار باینری نام دارد.در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی مدار فلاشر LED می پردازیم.
شمارنده‌های ریپل اساساً فلیپ فلاپ‌هایی هستند که می‌توانند به عنوان تقسیم‌کننده فرکانس برای تقسیم ورودی ساعت مرجع بر یک مقدار تنظیم شده برای ایجاد یک فرکانس جدید و پایین‌تر استفاده شوند و ما می‌توانیم از آن‌ها به عنوان بخشی از طراحی فلاشر LED ساده‌مان استفاده کنیم.این نوع شمارنده‌ها طبیعتاً ناهمزمان هستند، زیرا همه فلیپ فلاپ‌ها همراه با استفاده از یک پالس ساعت خارجی تغییر نمی‌کنند معمولاً ضامن در لبه منفی پالس ساعت رخ می دهد.
فلیپ فلاپ ضامن یا «تیپ T» بلوک اصلی ساختمان همه شمارنده‌های با شمارنده‌های ناهمزمان است که معمولاً به عنوان «شمارگر موجدار» شناخته می‌شوند.زیرا به نظر می رسد که پالس ساعت ورودی از طریق شمارنده موج می زند زیرا ورودی ساعت برای یک مرحله از خروجی مرحله قبل تولید می‌شود.
شمارنده های ریپل از تعدادی فلیپ فلاپ تقسیم بر 2 نوع T ساخته می شوند که با هم یک تقسیم کننده فرکانس تقسیم بر N تشکیل می دهند، جایی که N برابر با تعداد بیت شمارنده است.آی سی های شمارنده موج دار باینری معمولی شامل 74LS93 4 بیتی (÷16)، CMOS 4024 7 بیتی (÷128)، CMOS 4040 12 بیتی (÷4096) یا بزرگتر CMOS 4060 14 بیتی (÷16)، پیشخوان. سپس تعداد خروجی آنها (Qn) به عنوان مرحله “N-امین” شمارنده تعریف می شود.
به عنوان مثال، خروجی Q6 26 = 64 (1/64 فرکانس ساعت) و Q12 212 = 4096 (1/4096 فرکانس ساعت) و غیره است.همانطور که میدانیم، شمارنده های باینری زیادی در دسترس هستند که می توانند هر تعداد نور را به صورت دوره ای، تصادفی یا متوالی چشمک بزنند.
شمارنده باینری 12 بیتی CMOS CD4040B است. CD4040B یک شمارنده موجی باینری 12 بیتی با سوئیچینگ سریع است که با دوازده خروجی کاملاً رمزگشایی شده (در مجموع 12 دنباله LED جداگانه می سازد).
این دوازده خروجی به صورت متوالی با رسیدن هر لبه منفی پالس ساعت سوئیچ می‌کنند و یک دنباله خروجی باینری را همانطور که در نمودار زمان‌بندی نشان داده شده است تولید می‌کنند.

خروجی های 4040 بین یک منطقی “1” یا “HIGH” و منطقی “0” یا “LOW” در هر تعداد سوئیچ می کند تا بتواند یک دنباله متحرک، تعقیب کننده یا افکت تصادفی ایجاد کند و 4040 را به عنوان یک LED ساده ایده آل کند.
فلاشر یا نمایشگر نور برای پروژه چراغ ها. از آنجایی که 4040 یک شمارنده موج دار 12 بیتی است، هر یک از دوازده خروجی در یک دنباله باینری از 0 تا 4096 (212) بالا یا پایین تغییر می کند و این در نمودار زمان بندی زیر نشان داده شده است.

ویژگی ها:

مدار فلاشر LED یک مدار الکترونیکی محبوب است که برای ایجاد افکت های چشمک زن یا چشمک زن با LED ها استفاده می شود. این مدار چندین ویژگی را ارائه می دهد که آن را به یک راه حل همه کاره و موثر برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند. در اینجا برخی از ویژگی های کلیدی آن آورده شده است:

1. کنترل فرکانس چشمک زدن: مدار فلاشر LED امکان کنترل دقیق فرکانس چشمک زدن LED ها را فراهم می کند. این ویژگی به کاربران امکان می دهد تا سرعت چشمک زدن LED ها را تنظیم کنند و جلوه های بصری متفاوتی ایجاد کنند.

2. چرخه کار قابل تنظیم: برخی از مدارهای فلاشر LED توانایی تنظیم چرخه کاری LED های چشمک زن را فراهم می کنند. چرخه وظیفه نشان دهنده نسبت زمان روشن LED به کل زمان چرخه آن است. این ویژگی امکان سفارشی سازی الگوی چشمک زدن را فراهم می کند و می تواند جلوه های نوری منحصر به فردی ایجاد کند.

3. محدوده ولتاژ گسترده: مدارهای فلاشر LED برای کار در محدوده وسیع ولتاژ طراحی شده اند و آنها را با منابع مختلف برق سازگار می کند. این تطبیق پذیری امکان استفاده از آنها را در سیستم ها و کاربردهای مختلف روشنایی فراهم می کند.

4. مصرف برق کم: مدارهای فلاشر LED به دلیل بهره وری انرژی شناخته شده اند. آنها حداقل انرژی را مصرف می کنند، و آنها را برای دستگاه های باتری دار و برنامه هایی که مصرف انرژی در آنها نگران کننده است، ایده آل می کند.

5. طراحی فشرده: مدارهای فلاشر LED معمولاً در اندازه جمع و جور هستند که امکان ادغام آسان در سیستم های الکترونیکی مختلف را فراهم می کند. ضریب فرم کوچک آنها آنها را برای کاربردهای محدود فضا مناسب می کند.

6. ساده و مقرون به صرفه: مدارهای فلاشر LED دارای طراحی ساده ای هستند که از چند قطعه الکترونیکی اصلی تشکیل شده است که باعث می شود آنها مقرون به صرفه و آسان جمع شوند. این سادگی همچنین باعث می شود مدار قابل اطمینان تر و کمتر مستعد خرابی باشد.

7. سازگاری با انواع مختلف LED: مدارهای فلاشر LED را می توان با انواع LED ها از جمله رنگ ها و اندازه های مختلف استفاده کرد. این سازگاری امکان کاربردهای همه کاره و ایجاد جلوه های نوری متنوع را فراهم می کند.

8. مکانیسم های حفاظتی: برخی از مدارهای فلاشر LED دارای مکانیسم های حفاظتی برای محافظت از LED ها و خود مدار هستند. این مکانیسم ها می توانند شامل حفاظت در برابر جریان بیش از حد، حفاظت از قطبیت معکوس و حفاظت از دما باشد که طول عمر و ایمنی مدار را تضمین می کند.

9. گزینه های سفارشی سازی: مدارهای فلاشر LED را می توان برای برآوردن نیازهای خاص سفارشی کرد. این انعطاف پذیری به کاربران اجازه می دهد تا پارامترهایی مانند فرکانس چشمک زدن، چرخه کار و حتی تعداد LED های متصل به مدار را تنظیم کنند.

10. طیف وسیعی از کاربردها: مدارهای فلاشر LED در صنایع مختلف، از جمله خودروسازی، تابلوها، روشنایی تزئینی و غیره کاربرد دارند. تطبیق پذیری و توانایی آنها در ایجاد جلوه های نوری جلب توجه آنها را به یک انتخاب محبوب در این زمینه ها تبدیل کرده است.

در نتیجه، مدار فلاشر LED ویژگی هایی مانند کنترل فرکانس چشمک زن، چرخه کاری قابل تنظیم، محدوده ولتاژ گسترده، مصرف انرژی کم، طراحی فشرده، سادگی، سازگاری با انواع مختلف LED، مکانیسم های حفاظتی، گزینه های سفارشی سازی و طیف گسترده ای از کاربردها را ارائه می دهد. این ویژگی ها مدار فلاشر LED را به یک راه حل قابل اعتماد و همه کاره برای ایجاد جلوه های روشنایی پویا و جذاب با LED تبدیل می کند.

مزایا و معایب:

مزایا:

کارایی بالا: مدار فلاشر LED با استفاده از LEDهای با کارایی بالا، امکان تولید نور با توان بالا و مصرف انرژی کم را فراهم می‌کند. این مدارها به طور معمول از ترانزیستورهای قدرت برای کنترل جریان LEDها استفاده می‌کنند که باعث افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی می‌شود.

قابلیت کنترل دقیق: مدارهای فلاشر LED امکان کنترل دقیق فرکانس و دوره چشمک‌زنی LEDها را فراهم می‌کنند. این ویژگی به کاربر اجازه می‌دهد تنظیمات مختلفی را اعمال کند و اثرات نوری متنوعی را به دست آورد.

عمر طولانی: LEDها دارای عمر طولانی هستند و تا 100,000 ساعت استفاده قابل دارند. این به معنای کمترین نیاز به تعویض و تعمیر و همچنین کاهش هزینه‌های نگهداری است.

زمان پاسخ سریع: LEDها دارای زمان پاسخ سریعی هستند و به سرعت روشن و خاموش می‌شوند. این ویژگی به کاربر امکان ایجاد اثرات نوری پویا و دینامیک را می‌دهد.

محدوده وسیع ولتاژ: مدارهای فلاشر LED برای عملکرد در ولتاژهای مختلف طراحی شده‌اند. این ویژگی به کاربر اجازه می‌دهد از آن‌ها در سیستم‌ها با منابع تغذیه متفاوت استفاده کند.

معایب:

محدودیت در رنگ‌بندی: LEDها به طور معمول در رنگ‌های محدودی مانند قرمز، آبی، سبز و سفید در دسترس هستند. این محدودیت در رنگ‌بندی ممکن است برخی از کاربران را محدود کند و نیاز به استفاده از فیلترها و لنزهای متنوع را ایجاب کند.

حساسیت به دما: LEDها حساس به دمای محیط هستند و در دماهای بالا ممکن است عملکرد آن‌ها تحت‌الشعاع قرار بگیرد.

نمودار زمان‌بندی شمارنده ریپل 4040:

اما قبل از اینکه بتوانیم ریپل شمارنده 4040B را به‌عنوان بخشی از مدار فلاشر LED ساده خود استفاده کنیم، باید یک سیگنال زمان‌بندی تولید کنیم. راه‌های مختلفی برای تولید سیگنال زمان یا ساعت وجود دارد، فهرست بی‌پایان است.

 اما یک‌راه بسیار ساده و مؤثر برای تولید سیگنال زمان‌بندی موج مربعی با حداقل اجزا، استفاده از یک آی‌سی زمان‌بندی اختصاصی مانند تایمر پایدار NE555 است. دوره زمانی T، به فرکانس ساعت ورودی انتخابی T = 1/ƒ بستگی دارد.

به‌عنوان‌مثال، اگر شمارنده 4040 12 بیتی (÷4096) را به‌عنوان بخشی از مدار فلاشر LED ساده خود انتخاب کنیم و می‌خواهیم طولانی‌ترین دوره زمانی ما در بیت دوازدهم 4 ثانیه (2 ثانیه روشن و 2 ثانیه خاموش) باشد. یا 0.25 هرتز، پس فرکانس ساعت ورودی ما در پایه 10 شمارنده 4040 باید حدود 1 کیلوهرتز باشد (0.25 x 4096) همان‌طور که نشان داده‌شده است.

مدار فلاشر LED ساده:

بااتصال LED ها به خروجی‌های مختلف، آن‌ها هر بار چشمک می‌زنند، اما با سرعت‌های متفاوت به یکدیگر (هر خروجی نصف فرکانس قبلی) و نه همه “روشن” یا “خاموش” باهم خواهند بود و آن را ایده آل می‌کند.مدار فلاشر LED ساده ما. با استفاده از تقسیم‌کننده/شمارگر فرکانس تقسیم‌بر ۲، با چندین LED متصل به خروجی‌هایشان، می‌توان یک ستاره چشمک‌زن یا افکت چراغ‌های چشمک‌زن یا هر نمایشگر چراغ‌های LED چشمک‌زن به انتخاب خود را تولید کرد، بسته به اینکه کدام خروجی ریپل را به LED‌ها متصل می‌کنید. 

خروجی شمارنده ریپل:

خروجی‌های شمارنده Q1 تا Q12 این قابلیت رادارند که جریان بار حداکثر تا حدود 15 میلی‌آمپر را “Sink” یا “Source” کنند که برای هدایت مستقیم LED ها کافی است. توانایی شمارنده 4040 در هر دو جریان “سینک” (جذب) و “منبع” (تامین) به این معنی است که LED ها را می‌توان بین ترمینال خروجی شمارنده و منبع تغذیه وصل کرد تا جریان بار را کاهش دهد یا بین ترمینال خروجی و زمین برای منبع جریان بار وصل کرد . 

 منبع یابی خروجی‌ها:

در مدار اول بالا، LED بین ریل تغذیه مثبت ( +Vcc ) و خروجی، در این مورد Q8 وصل می‌شود. این بدان معنی است که جریان “سینک” (جذب) یا وارد ترمینال خروجی شمارنده 4040 می‌شود و زمانی که خروجی “LOW” باشد LED “روشن” خواهد بود.

 مدار دوم بالا نشان می دهد که LED بین خروجی، Q8 و زمین (0v ) متصل است. این بدان معنی است که جریان از ترمینال خروجی 4040 شمارنده “منبع” (تامین) یا خارج می‌شود و زمانی که خروجی “بالا” باشد LED “روشن” خواهد بود.

 توانایی ریپل شمارشگر برای کاهش و تامین جریان بار خروجی به این معنی است که هر دو LED را می‌توان به یک ترمینال خروجی متصل کرد و تعداد LED هایی را که می‌توانیم در مدار فلاشر LED ساده خود استفاده کنیم افزایش می‌دهد.

 بااین‌حال، بسته به اینکه وضعیت خروجی “HIGH” یا “LOW” باشد، تنها یک LED در هر زمان “روشن” می‌شود. مدار سمت چپ نمونه ای از این را نشان می‌دهد. بسته به خروجی که یک عمل چشمک‌زن متناوب ایجاد می‌کند، دو LED به‌طور متناوب «روشن» و «خاموش» می‌شوند. 

در صورت نیاز می‌توان از مقاومت‌های سری برای محدود کردن جریان LED به زیر 15 میلی‌آمپر استفاده کرد. قبلاً گفتیم که حداکثر جریان خروجی برای کاهش یا منبع جریان بار از طریق پین‌های خروجی حدود 15 میلی‌آمپر است و این مقدار برای راه‌اندازی یا تغییر LED یا لامپ‌های کوچک و غیره کافی است.

 اما اگر بخواهیم سوئیچ کنیم یا به‌جای این فلاشر LED ساده، دستگاه‌های باقدرت بالاتر مانند موتورها، آهنرباهای الکتریکی یا رله‌ها را کنترل کنید. سپس باید از ترانزیستورها استفاده کنیم تا جریان به‌اندازه کافی بالا برای هدایت بار فراهم شود.

درایور ترانزیستور شمارنده ریپل:

 ترانزیستور در دو مثال بالا می‌تواند با دستگاه پاور ماست یا ترانزیستور دارلینگتون در صورت بالا بودن جریان بار جایگزین شود. هنگام استفاده از یک‌بار القایی مانند موتور، رله یا آهنربای الکتریکی، توصیه می‌شود که یک “freewheeling diode” را مستقیماً در بین پایانه‌های بار وصل کنید تا ولتاژهای EMF عقب تولیدشده توسط دستگاه القایی را هنگام تغییر حالت جذب کند.

 همچنین می‌توان LED‌های بیشتری را به خروجی اضافه کرد، اما به یاد داشته باشید که معمولاً هر LED به 15 تا 20 میلی‌آمپر در ولتاژ 1.2 ولت برای روشن شدن کامل نیاز دارد، بنابراین هنگام اتصال مدار به باتری یا منبع تغذیه این را در نظر داشته باشید. یکی از مزیت‌های آی سی 4040 این است که حداکثر جریان ورودی/خروجی خود را محدود می‌کند، بنابراین LED‌ها می‌توانند مستقیماً بدون نیاز به مقاومت محدودکننده جریان متصل شوند.

نتیجه گیری:

دیده‌ایم که می‌توانیم یک مدار فلاشر LED بسیار ساده را فقط با استفاده از چند مؤلفه معمولی در دسترس، یک تایمر NE555 برای ایجاد سیگنال ساعت زمان‌بندی و یک شمارنده ریپل ناهمزمان 12 بیتی CMOS 4040 برای رابط با LEDها ایجاد کنیم. ساده‌ترین مدار فلاشر LED را می‌توان با استفاده از فلیپ فلاپ‌های تک بیتی نوع T در صورت نیاز ساخت، زیرا ویژگی جابجایی به طور طبیعی برای اجرای عملیات شمارش مناسب است.

شمارشگرهای ریپل چند بیتی را می توان با هم Cascading کرد تا تقسیم کننده های ریپل بیتی (یا شمارنده) بزرگتر را به انتخاب شما تولید کند یا برای بازنشانی پس از یک شمارش باینری خاص رمزگشایی شود. 4060B یک ریپل شمارنده باینری 14 بیتی است که دارای مدار نوسانگر داخلی خود است، بنابراین با افزودن یک خازن زمان بندی و دو مقاومت می توان یک مدار فلاشر LED بسیار ساده بدون نیاز به مدار زمان بندی اضافی NE555 ساخت.